EP2803749A1

EP2803749A1 - Niedriglegierter hochfester baustahl

Info

Publication number: EP2803749A1
Application number: EP20130861471
Authority: EP
Inventors: Alexander Dmitriyevich VOLOSKOV
Original assignee: CLOSED JOINT STOCK Co OMUTNINSK METALLURG PLANT; Closed Joint-stock Co "Omutninsk Metallurgical Plant"
Current assignee: Ao Omutninsky Metallugichesky Zavod
Priority date: 2012-12-04
Filing date: 2013-06-11
Publication date: 2014-11-19
Also published as: RU2505618C1; CN104471098A; CN104471098B; WO2014088454A1; EP2803749A4

Abstract

Die Erfindung ist in der Eisenmetallurgie, und zwar bei der Produktion von hochfestem Stahl zur Herstellung von warmgewalzten Kraftwagenbauteilen, einsetzbar. Es ist ein Stahl mit folgender Zusammensetzung (Mass. %) vorgeschlagen: Kohlenstoff - 0,15 - 0,20; Mangan - 1,3 - 1,5; Silizium - 0,05 - 0,45; Phosphor - max. 0,02; Schwefel - 0,02 - 0,05; Kupfer - max. 0,25; Vanadium - 0,03 - 0,055; Stickstoff - 0,004 - 0,015, Eisen und Verunreinigungen - Rest. Der technische Effekt der Erfindung ist die Herstellung von warmgewalzten Erzeugnissen mit folgenden Eigenschaften: erhöhte Streckgrenze, erhöhte Verformungsfähigkeit, gute Schweißbarkeit, erhöhte Schneidbarkeit, geringere Neigung zu einer mechanischen Alterung, Verwendbarkeit unter Frostbedingungen, Möglichkeit, auf eine zusätzliche Wärmebehandlung zu verzichten, Aufrechterhalten eines wirtschaftlich sinnvollen Festigkeitsbereichs hinsichtlich der jeweiligen Anwendung aufgrund der Nutzung von Legierungsbestandteilen, die zu keinen Sparstoffen zählen.

Description

Die Erfindung betrifft einen kohlenstoffarmen niedriglegierten hochfesten Baustahl nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Erfindung ist in der Eisenmetallurgie, und zwar bei der Produktion von hochfestem Stahl zur Herstellung von warmgewalzten Kraftwagenbauteilen, einsetzbar.

Aus dem Stand der Technik ist ein unlegierter Baustahl S355J0 mit einer Mindeststreckgrenze von 355 MPa und folgender Zusammensetzung (Mass. % max.) bekannt:

Kohlenstoff	-	max. 0,22;
Silizium	-	max. 0,55;
Mangan	-	max. 1,60;
Phosphor	-	max. 0,03;
Schwefel	-	max. 0,03;
Stickstoff	-	max. 0,012;
Kupfer	-	max. 0,55;
Eisen und Verunreinigungen	-	Rest [1].

Dieser Stahl liegt dem Stahl nach der Erfindung seinen mechanischen Eigenschaften, der Zusammensetzung und dem Anwendungszweck nach am nächsten und gilt als Prototyp.
DIN EN 10025-2:2005 zeigt obere Grenzen für chemische Elementenanteile und listet alle geforderten chemischen Elemente auf, legt aber ihre genauen Anteilsbereiche und zusätzliche Elemente nicht fest, um die benötigten mechanischen Eigenschaften nach DIN sowie nach den kundenspezifischen Anforderungen mit Rücksicht auf jeweilige Betriebsbedingungen zu erreichen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Baustahl mit folgenden Eigenschaften zu erzeugen:

erhöhte Streckgrenze,
erhöhte Verformungsfähigkeit (Plastizitätszahl),
erhöhte Schlagarbeit,
Verwendbarkeit unter Frostbedingungen,
gute Schweißbarkeit,
erhöhte Schneidbarkeit,
Aufrechterhalten des Festigkeitsbereichs; es handelt sich dabei um die hinsichtlich der jeweiligen Anwendung wirtschaftlich sinnvolle Festigkeit aufgrund der Nutzung von Legierungsbestandteilen, die zu keinen Sparstoffen zählen.

Die gestellte Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs gelöst.

Dies ist mit einem modifizierten kohlenstoffarmen niedriglegierten hochfesten Baustahl mit folgender Zusammensetzung (Mass. %) erreicht:

Kohlenstoff	-	0,15 - 0,20;
Mangan	-	1,3 - 1,5;
Silizium	-	0,05 - 0,45;
Phosphor	-	max. 0,02;
Schwefel	-	0,02 - 0,05;
Kupfer	-	max. 0,25;
Vanadium	-	0,03 - 0,055;
Stickstoff	-	0,004 - 0,015
Eisen und Verunreinigungen	-	Rest.

Die Referenzkennzeichnung des Stahls ist S355J0 mod.
Der Kohlenstoff- und Mangananteil sorgt für den vorgegebenen Bereich der Festigkeitsgrenze (470 - 630 MPa) und für eine erhöhte Dehnungsfähigkeit (plastisches Verhalten) von min. 20 % (anstelle von min.16 %).
Der benötigte und ausreichende Anteil von Vanadium als ein Element zur Stickstoffbindung stellt eine karbonitridische Verfestigung während der γ - a Umwandlung nach dem Mechanismus der Alterungshärtung sicher. Dadurch wird eine Steigerung der Materialstreckgrenze von min. 400 MPa erreicht. Die erhöhte Streckgrenze ermöglicht es, den Metallaufwand beim Betrieb zu reduzieren und eine Schlagarbeit von min. 80 J bei einer Temperatur von 0° C bis -40° C zu erreichen.
Es wurde versuchsweise festgestellt, dass bei einem Mangan-Anteil unterhalb des vorgegebenen Grenzwerts und wenn kein Vanadium enthalten ist die angemeldete Streckgrenze und Schlagarbeit nicht erreicht wird.
Der erhöhte Schwefelanteil führt zu einer Verbesserung der Stahlschneidbarkeit.
Die Schweißbarkeit des Materials wird durch das Kohlenstoffäquivalent eingeschätzt. Um das Kohlenstoffäquivalent zu ermitteln, wird folgende Gleichung des Internationalen Schweißungsinstituts benutzt, die der DIN EN 10025-1 zu entnehmen ist: $CEV = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr + Mo + V}{5} + \frac{Ni + Cu}{15}$
Der vorgeschlagene Stahl ist durch ein Kohlenstoffäquivalent C_Äqu ≤ 0,47% gekennzeichnet.
Die optimale chemische Zusammensetzung, das Desoxidationsverfahren, das Verfahren zur Herstellung (Warmverformung) des Fertigprofils ermöglichen, ein homogenes feinkörniges ferritisch-perlitisches Gefüge mit einer minimalen Ungleichkörnigkeit zu bekommen, die keine 3 Korngrößen nebeneinander überschreitet. Die Korngröße ist 7-8-9 nach ASTM E 112 (GOST 5639-82) bei einer Kundenanforderung hinsichtlich der Korngröße von max. 5. Darüber hinaus wird im ferritisch-perlitischen Gefüge kein nadelförmiges bainitisches Gefüge beobachtet (Kundenanforderung: max. Bainitanteil im ferritisch-perlitischen Gefüge 6 %).
Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Aufnahme eines Mikrogefüges einer Probe des warmgewalzten Profils aus dem modifizierten Stahl mit einer Korngröße 8 nach ASTM E 112 (nach GOST 5639) nach einer der Schmelzen. Bei der Aufnahme handelt es sich um eine 100-fache Vergrößerung mit einem festgestellten 400 µm langen Arbeitsmaßstab.

Ausführungsbeispiel aus der Praxis

Die erfindungsgemäßen Stahlsorten werden von dem Omutninsker Metallurgiewerk ZAO in einer Stahlschmelzanlage hergestellt. In der Stahlschmelzanlage wird Stahl mit folgender Grundzusammensetzung produziert: Kohlenstoff, Mangan, Silizium, Eisen und unvermeidliche Verunreinigungen. Nach einer Erwärmung bis auf 1620-1640° C wird der Stahl in eine Stahlgießpfanne gegossen. Die Stahldesoxidation unter Einsatz von Aluminium wird während des Stahlablasses aus der Stahlschmelzanlage in die Stahlgießpfanne vorgenommen. Die für die Stahldesoxidation benötigten Komponenten werden in den Bodenbereich der Stahlgießpfanne eingeführt. Das optimale Komponentenverhältnis ist [Mn]/(Si]≤3. Der Stahl wird einer hinreichend umfassenden Desoxidation mit einem regenerierten Aluminium ausgesetzt, um optimale Bedingungen zum Auftauchen von gebildeten großen Aluminiumoxiden zu schaffen. Zusätzlich wird der Sauerstoffanteil (max. 0,001 % bei vorgeschlagener Stahlsorte) überwacht.
Nach dem Ablass aus der Stahlschmelzanlage wird die Ofenschlacke aus der Stahlgießpfanne entfernt. Bei der Metallbehandlung einschließlich des Argonaufblasens wird kalk- und tonhaltige Schlacke anhand von Zusätzen aus Kalk und aluhaltigen Materialien eingestellt. Dabei werden die sortenspezifischen Anteile der Hauptelemente (Kohlenstoff, Mangan, Silizium) und desoxidierte Affinations- Weißschlacke erzeugt.
Das Vanadium wird in Form von einer stückförmigen Ferrolegierung eingebracht, bis die Zielkonzentration erreicht ist. Danach wird das Metall bis auf eine Temperatur erwärmt, welche eine vorgegebene Metallüberhitzung oberhalb der Stahl- Liquidustemperatur in einer Zwischenpfanne beim Stahlgießen in der Stranggussanlage gewährleistet. Bei der Ermittlung dieser Temperatur werden bestehende Wärmeverluste und die nachfolgende Schwefellegierung berücksichtigt. Der Schwefel wird dem Stahl in Form eines gefüllten Pulverdrahts mittels einer Drahteinspuleinrichtung (Treibapparat) zugeführt, nachdem die Schlacke durch Magnesitpulver eingedickt ist.
Der Stahl wird in der Stranggussanlage gegossen, indem das Metall gegen Reoxidation nach dem Gießspiegelverfahren geschützt wird. Dabei wird die Entblößung (blankes Metall) der Metalloberfläche in der Zwischenpfanne (Funkenflug) vermieden.
Der Strang wird im Warmwalzwerk nach verfahrenstechnischen Anleitungen und Walzplänen des Omutninsker Metallurgiewerks ZAO gewalzt. Danach wird ein warmgewalztes Profil zur Fertigung von Bändern für Volkswagen-PKWs hergestellt.
Es wurden sieben Schmelzen mit der erfindungsgemäßen Zusammensetzung des modifizierten Stahls vorgenommen. Zwei Schmelzen davon (8 und 9) wurden mit niedrigerem Mangan-Anteil und ohne Vanadium durchgeführt. Die erreichte chemische Zusammensetzung ist der Tabelle 1 in Gegenüberstellung zum Prototyp zu entnehmen. Die Schmelzen nach der Erfindung sind durch die Schmelznummern 1 - 7 beschrieben.
Die mechanischen Eigenschaften und das Gefüge des Stahls wurden im Prüfungslabor für Vergleichsprüfungen des Omutninsker Metallurgiewerks ZAO bewertet. Die mechanischen Eigenschaften wurden in einer 25-Tonnen-Reißmaschine der Fa. QUASAR 250 geprüft. Die Brinell-Härteprüfung wurde im Härteprüfer Typ TSch-2M durchgeführt. Die mechanischen Prüfungsergebnisse für den bekannten und den erfindungsgemäßen Stahl sind der Tabelle 2 zu entnehmen. Die Schlagarbeit unter Frostbedingungen wurde an Proben aus 3 Versuchsschmelzen geprüft. Das Rechenbeispiel für eine der Schmelzen ist wie folgt: $C_{\ddot{A} qu} = 0, 17 + \frac{1, 48}{6} + \frac{0, 09 + 0, 01 + 0, 048}{5} + \frac{0, 11 + 0, 19}{15} = 0, 466 %$
Die Nullserienerprobung hinsichtlich der Festigkeit, der Verformungsfähigkeit und der Schlagarbeit wurden durch die Fa. EDSCHA als Hersteller von Bändern für Kfz-Türen in verschiedenen Baugrößen durchgeführt. Die Erzeugnisse mit den genannten Kenndaten befriedigten die Erwartungen der Kunden dieser Firma. Es wurde auch vorgeschlagen, die Stahlsorte S355 J0 durch S355 J0 mod bei allen lieferbaren warmgewalzten Profilen zu ersetzen, weil die neue Stahlsorte für die Betriebsbedingungen besser geeignet ist.
Somit ermöglicht die erfindungsgemäße chemische Zusammensetzung, einen Stahl mit folgenden Eigenschaften herzustellen:

erhöhte Streckgrenze,
höhere Verformungsfähigkeit,
gute Schweißbarkeit,
verbesserte Schneidbarkeit,
geringere Neigung zu einer mechanischen Alterung,
Verwendbarkeit unter Frostbedingungen,
Möglichkeit, auf eine zusätzliche Wärmebehandlung zu verzichten,
Aufrechterhalten eines wirtschaftlich sinnvollen Festigkeitsbereichs aufgrund der Nutzung von Legierungsbestandteilen, die zu keinen Sparstoffen zählen, bei der Herstellung von warmgewalzten Bauteilen für Kfz.

Tabelle 1

Stahl	C,%	Mn,%	Si, %	P,%	S,%	Cu, %	Ni, %
1	0,17	1,48	0,38	0,019	0,022	0,19	0,11
2	0,18	1,38	0,32	0,011	0,022	0,22	0,11
3	0,18	1,39	0,39	0,01	0,023	0,19	0,11
4	0,17	1,41	0,38	0,014	0,026	0,21	0,12
5	0,18	1,44	0,41	0,011	0,023	0,18	0,1
6	0,18	1,45	0,45	0,013	0,024	0,18	0,1
7	0,16	1,42	0,39	0,013	0,042	0,20	0,15
8	0,18	1,29	0,43	0,02	0,018	0,24	0,12
9	0,17	1,27	0,43	0,02	0,021	0,23	0,11
nach der Erfind. S355J0 mod	0,15-0,20	1,3-1,5	0,05-0,45	≤0,02	0,02-0,05	≤0,25	≤0,15
Prototyp S355J0	≤0,22	≤1,6	≤0,55	≤0,03	≤0,03	≤0,55	-

Fortsetzung Tabelle 1

	Cr, %	V, %	Al, %	Mo, %	N, %	C_Äqu, %
1	0,09	0,048	0,011	0,01	0,0048	0,466
2	0,09	0,043	0,011	0,01	0,0052	0,461
3	0,10	0,043	0,013	0,015	0,0044	0,463
4	0,12	0,044	0,012	0,014	0,0051	0,463
5	0,10	0,045	0,013	0,014	0,0055	0,469
6	0,1	0,044	0,014	0,014	0,0047	0,469
7	0,07	0,035	0,008	0,017	0,006	0,444
8	0,08	-	0,023	0,012	0,0050	-
9	0,12	-	0,021	0,011	0,0048	-
nach der Erfindung S355J0 mod	≤0,2	0,03-0,055	0,01-0,015	≤0,05	0,004-0,015	≤0,47
Prototyp S355J0	-	-	-	-	≤0,012

Tabelle 2

Stahlsorte	Festigkeitsgrenze, MPa	Streckgrenze, MPa	Dehnungszahl, %	Schlagarbeit, J			Härte, HB
Stahlsorte	Festigkeitsgrenze, MPa	Streckgrenze, MPa	Dehnungszahl, %	bei 0°C	bei -20°C	bei -40°C	Härte, HB
1	630	497	23,5	107	-	-	187
2	630	460	27	112	-	-	170
3	615	469	26	111	128	112	170
4	624	458	26	105	-	-	187
5	617	414	26	136	104	83	179
6	627	464	28	107	125	121	179
7	630	474	25	133	-	-	179
8	576	384	32	67,6	-	-	-
9	600	395	22	47,0	-	-	-
nach der Erfind. S355J0 mod	470-630	≥400	≥20	≥80			160-220
Prototyp S355J0	470-630	≥355	≥16	≥27			ist nicht genormt

1. DIN EN 10025-2:2005

Claims

Kohlenstoffarmer niedriglegierter hochfester Baustahl mit Kohlenstoff, Silizium, Mangan, Phosphor, Schwefel, Stickstoff, Kupfer und Eisen,
dadurch gekennzeichnet,
dass er zusätzlich Vanadium aufweist,
dass die Kohlenstoff- und Mangananteilsbereiche festgelegt sind,
dass der Schwefelgehalt erhöht ist,
dass diesem Stahl ein Kohlenstoffäquivalent C_Äqu ≤ 0,47% eigen ist und
dass dieser Stahl ein homogenes feinkörniges ferritisch-perlitisches Gefüge mit einer Korngröße von 7-8-9 und folgendes Komponentenverhältnis (Mass. %) aufweist: Kohlenstoff - 0,15 - 0,20; Mangan - 1,3 - 1,5; Silizium - 0,05 - 0,45; Phosphor - max. 0,02; Schwefel - 0,02 - 0,05; Kupfer - max. 0,25; Vanadium - 0,03 - 0,055; Stickstoff - 0,004 - 0,015 Eisen und Verunreinigungen - Rest.